Bài giảng Sinh học phân tử - Chương IV: Sự tái bản DNA

Chương IV. Sự tái bản DNA TÍNH ỔN ĐỊNH CỦA DNA Cấu trúc: - 2 mạch xoắn kép bổ xung - Cấu tạo hóa học các nucleotide Hoạt động: - Cơ chế tái bản: sao chép thông tin di truyền từ 1 thành 2 bản - Cơ thế kiểm tra, sửa chữa sai sót Thí nghiệm của Matthew Meselson và Franklin Stahl (1958) Sự tái bản theo nguyên tắc bản bảo thủ Nguyên tắc bán bảo thủ: giữ lại một mạch đơn cũ và một mạch đơn mới được tổng hợp Mô hình chung Tái bản DNA ở prokaryote - Xảy ra chỉ ở 1 điểm trên phân tử DNA vòng của prokaryote - vùng DNA được sao chép từ 1 điểm khởi đầu được gọi là đơn vị tái bản-replicon Tái bản DNA ở prokaryote Các nhân tố tham gia vào quá trình sao chép 1. Topoisomerase: tháo xoắn dạng DNA siêu xoắn thành dạng thẳng Topoisomerase Topoisomerase I: gắn vào DNA và cắt một trong hai sợi đơn. Sau khi tạo được DNA thẳng thì enzyme này nối chỗ đứt lại Topoisomerase II: Cắt cả hai mạch của phân tử DNA (gyrase của E.coli) Tạo chạc tái bản Các nhân tố tham gia vào quá trình sao chép Tái bản DNA ở prokaryote  Gyrase (E.coli): + tháo cấu trúc xoắn hoặc siêu xoắn tạo DNA dạng thẳng + Tự nối các vị trí vừa cắt Các nhân tố tham gia vào quá trình sao chép  Helicase: phá vỡ liên kết hydro giữa các bazơ trên 2 sợi đơn bổ sung Tái bản DNA ở prokaryote -Một số gắn trên mạch theo hướng 3’-5’ : các protein của gen Rep - Một số khác gắn trên mạch theo hướng 5’-3’: helicase II và III Tái bản DNA ở prokaryote Các nhân tố tham gia vào quá trình sao chép DNA polymerase: + DNA pol I: tổng hợp lấp chỗ trống khi đoạn mồi tách ra DNA polymerase I chỉ chứa một chuỗi polypeptide + DNA pol II: có chức năng đọc sửa 3’ – 5’ exonuclease, kéo dài chuỗi + DNA polymerase III : là một holoenzyme phức chứa 7 polypeptide khác nhau (α, β, 2γ, δ, ε, µ, 2θ) tổng hợp mạch bổ sung từ đầu 3’OH tự do của mỗi mồi RNA Tái bản DNA ở prokaryote Các nhân tố tham gia vào quá trình sao chép  SSB: protein gắn sợi đơn, làm 2 mạch đơn không kết hợp lại với nhau ligase: nối tất cả các chỗ gián đoạn trên mạch mới. đơn vị sao chép ở SV tiền nhân (replicon) đứt tại một điểm của 1 trong 2 mạch đơn DN đứt tại một điểm của 1 trong 2 mạch đơn DNA A Tái bản DNA ở prokaryote - Cắt tại một điểm của 1 trong 2 mạch đơn DNA - Tại điểm bắt đầu tái bản: thường nằm ở những vùng DNA có chứa nhiều trình tự AT (100 - 200bp) Quá trình tái bản 1. Topoisomerase: Tháo xoắn tạo DNA thẳng  Vị trí khởi đầu tái bản: nằm ở những vùng chứa nhiều trình tự AT (100 – 200bp) 2. Helicase: Phá vỡ liên kết hydro trên hai mạch đơn 3. SSB protein (single strand binding protein) Bám vào các sợi đơn đang được kéo dài hai mạch đơn không kết hợp lại với nhau Topoisomerase Helicase SSB protein Topoisomerase Helicase SSB protein Quá trình tái bản 4. RNA primase tổng hợp mồi cho việc tái bản Đoạn RNA mồi: 8 – 12 nu 5. Hệ DNA polymerase tham gia kéo dài chuỗi và đọc sửa trên hai sợi đơn 6. Ligase: Nối tất cả các chỗ gián đoạn trên mạch mới RNA primase DNA polymerase DNA ligase Tái bản DNA ở prokaryote Hướng tổng hợp trên hai sợi đơn 1. Trên mạch khuôn hướng 3’ – 5’: sinh tổng hợp mạch đơn mới diễn ra liên tục gọi là mạch tiến ( leading) 2. Trên mạch khuôn 5 – 3’ : Sinh tổng hợp diễn ra không liên tục mà dưới dạng ngắn gọi là đoạn Okazaki (mạch chậm – lagging) Kích thước đoạn Okazaki: 1000 – 2000bp Topoisomerase Helicase SSB protein RNA primase DNA polymerase DNA ligase Bidrectional DNA synthesis Replication forks will merge Tái bản DNA ở Eukaryote Nhiễm sắc thể Nhiễm sắc thể kép - Diễn ra tại kỳ trung gian (S phase) giữa 2 lần phân bào. Tế bào nhân đôi chỉ sau khi DNA tái bản - Sự tái bản xảy ra tại nhiều điểm trên nhiễm sắc thể. VD ở bộ NST người có 20.000-30.000 đơn vị tái bản, chiều dài một replicon từ 100 đến 200 kb Tái bản DNA ở Eukaryote Các nhân tố tham gia vào quá trình sao chép 1. Polymerase α/ primase: tổng hợp mồi RNA cho mạch chậm Không có khả năng đọc sửa (exonuclease) 2. Polymerase β: tương tự như polymerase I ở sinh vật tiền nhân Tổng hợp đi liền với sửa chữa và hoàn chỉnh sợi đơn mới 3. Polymerase γ: được tìm thấy ở ty thể nhưng chưa rõ chức năng 4. Polymerase δ: tương tự như DNA pol III ở sinh vật tiền nhân Tổng hợp sợi đơn mới 5. Polymerase ε: mới được phát hiên , chưa rõ chức năng Tái bản DNA ở Eukaryote 6. Chromatin Assembly Factor 1 (CAF-1) nhân tố kết gắn nhiễm sắc + protein β tổ chức lắp ghép trung gian PCNA (Proliferating cell nuclear antigen ) Chức năng: tháo bỏ và lắp ghép lại các protein nằm trong nucleosome Các nhân tố tham gia vào quá trình sao chép 7. Các nhân tố sao chép A và C (Replication Factor) RF-A, RF-C Chức năng: cần cho hoạt động của các DNA polymerase α và β Newly made histone proteins PCNA: gồm 3 protein Tái bản DNA ở Eukaryote 1. Dưới tác dụng của Topoisomerase và nhân tố tái bản RF-A, phức hợp nhận biết vùng khởi đầu tái bản (origin recognition complex – ORC) bọc lấy điểm khởi đầu (giàu AT) DNA được tháo xoắn 2. Trên mạch chậm:Primase tương tác với RF-A tổng hợp các mồi RNA (10nu) kéo dài thêm 20 nu nhờ nhân tố RF-C kết hợp với Pol α - Pol δ gắn vào chuỗi và tổng hợp đoạn Okazaki 3. Pol α chuyển đến mạch đối diện và tổng hợp liên tục mạch tiến Mô hình tái bản ở Eukaryote Tái bản DNA ở Eukaryote 4. Kết thúc tổng hợp tại đầu telomere của nhiễm sác thể Đầu cuối của DNA (telomere) có chứa nhiều đoạn lặp lại giống nhau, trình tự đoạn lặp TTAGGG hay TTGGGG Cấu trúc đầu so le 3’ (overhang): có chiều dài 12-16 nu Sự liên quan giữa đầu telomere của nhiễm sắc thể đến tuổi thọ? Cơ chế kéo dài đầu telomere Telomerase RNA đóng vai trò quan trọng HỆ THỐNG SỬA CHỮA SAI SÓT KHI TÁI BẢN 1. Cơ chế phòng ngừa: Trong tế bào có hệ thống ngăn chặn tác hại của các chất chuyển hóa trong tế bào: Ví dụ:  hệ thống điều hòa cân bằng acid – bazo (thông qua kênh vận chuyển)  Hệ thống khử: NADH, NADPHH+ 2. Cơ chế đảm bảo sự trung thành trong tái bản  Cơ chế đọc sửa của các DNA pol I và Pol III: Cắt bỏ bazo lắp ghép sai rồi thay thế bằng bazo đúng bổ sung Cơ chế hoạt quang: exonuclease dưới tác dụng của ánh sáng ở bước sóng 300nm sẽ cắt bỏ Thymine dimer gây bởi tia UV ra khỏi phân tử DNA Sửa chữa bằng tái tổ hợp: Cơ chế: Trao đổi chéo chính xác giữa đoạn có sai sót với đoạn không sai sót giữa hai phân tử DNA trong quá trình phân bào giảm nhiễm  Cơ chế cắt bỏ và chỉnh sửa đúng Cắt bỏ đoạn DNA tổng hợp sai và tổng hợp đoạn DNA mới thay thế